为了避免两级入轨空天飞机两子级之间存在的激波干扰,提高两级在高速阶段的气动性能,基于锥导乘波理论提出了一种上表面部分融合的两级融合乘波气动布局设计方法,并采用数值模拟方法研究了该布局的气动特性。计算结果表明,乘波体距离基准锥轴线距离的增加会提高两级的升阻比,上表面后缘线二次项系数的增加使两级的最大升阻比提高,但对上面级影响较小,当组合体不变,上面级的最大升阻比随着半展角的增加而减小。下面级在低速飞行时,由于上表面的凹陷,比组合体拥有更高的升力系数,这表明上面级的分离将提高飞行器的升力特性,使下面级拥有更好的着陆性能。

风洞试验和飞行试验是飞行器研制过程中进行气动性能分析与优化设计的重要手段,然而,在高超声速飞行条件下,真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应的复杂变化给气动数据精准预测带来巨大挑战。为了提升天地气动数据一致性,针对某外形飞行试验数据开展了典型对象的天地气动数据融合方法研究。结合数据挖掘的随机森林方法,本文提出了一种面向飞行试验的数据融合框架,通过引入地面风洞试验气动数据,实现了对复杂输入参数的特征分析与特征排序,进一步对不同飞行时刻下飞行试验的气动数据开展了交叉验证。结果表明随机森林的机器学习框架对风洞-飞行试验数据关联具有较好的预测与外推能力,可以有效提升气动数据预测精度,相关研究为复杂环境下气动数据多源融合提供了思路。

为解决高超声速飞行器因承受巨大的气动阻力而严重影响其飞行性能的问题,采用计算流体动力学(CFD)数值方法研究了气动杆高超声速减阻机理,结果表明气动杆将钝头体前方原始弓形激波转化为类斜激波,降低了激波强度和总气动阻力;气动杆构型的再附激波强度弱于原始弓形激波强度,从而降低了钝头体前端的壁面压力分布;气动杆构型的总气动阻力主要来自于钝头体,且主要是由压力引起的。此外随气动杆长径比的增大,阻力系数降低的速率逐渐减小。

为了降低高超声速钝头体的气动阻力,采用CFD数值方法研究了气动盘对气动杆减阻效率的影响。结果表明安装气动盘时钝头体前方回流区增大,钝头体压强峰值的位置向后移动,且模型阻力系数得到了有效降低。随后在此基础上研究了气动盘形状对减阻效率的影响。结果表明平面盘比尖锥形和半球形气动盘具有更佳的减阻效率,且平面盘还具有易加工制造的优点。

复合材料因其优异的性能已被广泛应用于飞行器的结构中。在高超声速飞行时,由于非定常气动载荷和热效应的共同作用,飞行器复合材料壁板会出现屈曲及非线性颤振现象。本文基于均匀温度场建立了考虑热效应的复合材料薄壁结构的非线性有限元模型,结合气动-结构二阶松耦合算法,针对复合材料壁板在Ma∞=5时的非线性气动弹性响应进行分析,探讨了复合材料铺层方向、温度载荷等对壁板颤振特性的影响。结果表明,壁板响应受到温度载荷、铺层方向及来流动压等多方面的影响。斜交壁板的颤振动压高于正交壁板颤振动压(增量大于55%);随着温度载荷的增大,壁板颤振动压会下降,最大降幅约为动压的80%。当出现热屈曲时,颤振动压又会缓慢增大;当温度超过结构的临界屈曲温度时,壁板在亚临界条件下会出现多个屈曲位置,随着动压的变化而发生转变。

基于三维内转进气道开展高超声速导弹气动布局研究,重点针对曲锥弹身开展了颌下进气与两侧进气两种气动布局研究。数值仿真结果表明,颌下进气布局在特定的攻角下利用弹身前体预压缩效果,具有较高的进气道性能。两侧进气布局无法有效利用前体的预压缩效果,较难构造高性能的内部流场,但能够利用进气道产生升力,使全弹具有较好的气动特性。此外,两侧进气布局具有更小的攻角敏感性,在攻角变化过程中,整体性能变化较小。因此,颌下进气布局适用于单点巡航的导弹设计,两侧进气布局适用于攻角变化范围要求高的导弹设计。

高超声速条件下,气动光学效应的存在严重影响红外成像制导精度,已经成为新一代高超声速精确打击武器研制面临的关键技术难题之一。为解决这一技术瓶颈,需要开展适用高超声速飞行环境的超声速气膜冷却光学窗口研究,解决高超声速飞行条件下光学窗口防热和成像难题,突破现有红外成像制导武器的速度和温度限制,可为实现高超声速条件下武器对空、对地和对海高精度打击提供支撑。

简要介绍了热色液晶定量测热显示技术的特点和实施方法，给出了在等熵压缩等炮风洞中进行的测热实验的初步分析结果。

发展下一代高超声速飞行器的需求主要来自三个方面，第一方面是军用的高超声速飞行器，包括高Ｍ数的军用飞机和导弹，特别是跨大气层飞机，将使空中的作战平台提高到一个新水平，有可能在未来的高技术战争中起到杀手锏的作用；第二方面是高超声速客机；第三方面是水平起降的完全重复使用的天地往返运输系统。